Лабораторки / ЛР4

1 Введение Цель работы: изучение структурной и функциональной организации

процессора на примере базовой учебной ЭВМ.

Задание: 10/2-3 (Вариант 2).

3

2 Ход работы:

2.1 Основные теоретические сведения

Микропроцессор (МП) — это сверхбольшая интегральная схема,

которая реализует функции процессора ПК. Микропроцессор создается на полупроводниковом кристалле путем применения сложной микроэлектронной технологии. Возможности компьютера как универсального исполнителя по работе с информацией определяются системой команд процессора. Эта система команд представляет собой язык машинных команд. Из команд составляют программы управления работой компьютера. Отдельная команда определяет отдельную операцию (действие) компьютера. Существуют команды, по которым выполняются арифметические и логические операции,

операции управления последовательностью выполнения команд, операции передачи данных из одних устройств памяти в другие и пр.

Действия над числами (сложение, вычитание, умножение),

представленными в различной форме осуществляются с помощью элементарных операций, выполняемых в определенной последовательности.

К таким элементарным операциям относятся:

−запись числа в регистр;

−инвертирование содержимого разрядов регистра;

−пересылка содержимого регистров;

−сдвиг содержимого регистра;

−сложение кодов;

−поразрядные логические операции или анализ разрядов;

−операция счета с+1 или с-1 (инкремент или декремент).

Все эти действия выполняются в процессоре, который для упрощения можно рассматривать состоящим из двух устройств – операционного (ОУ) и

управляющего (УУ) (ОУ – выполняет указанные элементарные операции; УУ

– управляет ОУ, задавая необходимую последовательность выполнения этих операций). В качестве узлов УУ и ОУ включают в себя регистры, счетчики,

4

сумматоры, мультиплексоры, дешифраторы и т.д. Обобщенная структура любого процессора изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – обобщенная структура процессора В основу работы ЦП положен принцип, предполагающий разделение

всей информации, с которой оперирует устройство, на две части: собственно информацию (входные данные) и информацию об алгоритме (программу). Эти части представляются в виде информационных слов (ИС) и управляющих слов

(УС) хранимых в памяти ЭВМ, что влечет за собой в большинстве современных ЭВМ операционно-адресную организацию процесса выполнения алгоритма, при которой управляющие слова задают операции алгоритма и местоположение в памяти операционных слов (операндов),

участвующих в операции. Алгоритм решения задачи на ЭВМ описывается последовательностью УС (программой), определяющих очередность и характер выполняемых действий.

Управляющие слова в зависимости от сложности и времени выполнения задаваемых ими преобразований информации разделяются на команды и микрокоманды.

Командой называют записанную в некотором алфавите совокупность всех сведений, необходимых для выполнения некоторых операции в машине.

Любая команда имеет определенную структуру уникальную для данного процессора. Под структурой команды понимают перечень сведений

(элементов команды), необходимых для выполнения операций. Помимо структуры, команды процессора имеют определенный формат. Форматом

5

команды называют распределение отдельных элементов команды по символам слова, изображающего команду.

Совокупность всех выполняемых машиной команд, отличающихся друг от друга операционной частью и/или форматом адресной части,

называется набором команд или системой команд ЭВМ.

Выполнение любой команды, как правило, сводится к выполнению более мелких операций – микроопераций, задаваемых последовательностью микрокоманд. Микрооперацией (МО) называют элементарный акт преобразования или передачи информации, выполняемый, как правило, за один машинный такт. Типичными МО являются установка (исходных)

состояний отдельных узлов и операционных элементов, выполнение элементарных преобразований (сдвига, суммирования, логических операций)

информации в операционных элементах, пересылка в информации между отдельными узлами или операционными элементами, обращение к памяти и др. В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций.

Микрокомандой (МК) называют набор сведений, необходимых для выполнения одной или нескольких микроопераций, реализуемых в течение одного машинного цикла (цикла процессора).

Базовая учебная машина (БУ ЭВМ) - устройство, выполняющее заданные программой преобразования информации и осуществляющее управление всем вычислительным процессом. БУ ЭВМ дешифрирует и выполняет последовательно команды программы. БУ ЭВМ содержит: арифметико-

логическое устройство (АЛУ), центральное устройство управления (ЦУУ), а

также оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) небольшой емкости

(рисунок 2).

6

Рисунок 2 - Структура процессора (а) и фрагмент ОЗУ (б)

АЛУ базовой учебной ЭВМ может совершать операции над двумя операндами, один операнд находится в аккумуляторе АКК, а второй извлекается командой из памяти. Результат выполнения операции остается в АКК и RG. Запуск АЛУ производится сигналом Au, который инициирует выполнение операции, наименование которой задано кодом. В АЛУ формируются осведомительные сигналы ZNAK и NUL, определяющие признак результата; сигнал АL - если устройство работает. OЗУ в соответствии с сигналами R и W выполняет чтение или запись слова по определенному адресу и вырабатывает сигнал ОР, говорящий о том, что ОЗУ занято. ОЗУ содержит 94 ячейки памяти, причем ячейки с 1 по 70 хранят команды, с 71 по

94 - данные.

УУ состоит из управляющего автомата (УА), регистра команд (RGK),

дешифратора (DC) и счетчика адресов команд (CТAK). Функция CТAK -

образовывать слово, представляющее адрес следующей команды. Обычно

CТAK имеет инкрементное устройство, которое добавляет 1 к текущему адресу. RGK сохраняет слово команды, согласно которой процессор в данный момент действует. DC расшифровывает код операции команды и вырабатывает осведомительные сигналы групп операций (x). УА в зависимости от x формирует или нет последовательность управляющих сигналов y.

7

Регистр команд функционально входит в состав устройства управления, а регистр данных - это практически один из регистров АЛУ. АЛУ служит для выполнения арифметических и логических преобразований информации. В нем производятся операции сложения, вычитания, умножения и деления.

Схема регистрового АЛУ анализирует состояние системных сигналов у5, у4, у1, АУ, вырабатываемых управляющим автоматом УА при организации взаимодействия РАЛУ с оперативной памятью (ОЗУ).

Шина данных (шD) связывает порты ввода-вывода РАЛУ и ОЗУ.

Передачу данных (двусторонний обмен) по ней обеспечивают сигналы у5, у4,

у1. Порт ввода-вывода РАЛУ - RG и позволяет читать или загружать данные на шD с помощью приемопередатчика, управляемого инверсным сигналом у5.

При у5 = 1 - вывод данных (загрузка шD); иначе - ввод (чтение шD).

Дешифрация кода операции (КОП) - приводит к выполнению одного из четырех основных арифметических действий.

Оперативное запоминающее устройство служит для хранения информации, полученной при вводе исходной программы, данных, а также полученной при арифметических вычислениях и необходимой для дальнейшей работы процессора.

Центральный процессор должен иметь возможность обращаться к каждой отдельной ячейке памяти, для чего в СТАК записывается адрес требуемой программной памяти, а в RGK(A) - адрес данных.

Интерфейс ОЗУ состоит из следующих цепей: шины адреса А; шины записи слова; шины чтения слова; шины управления: R,W.

В ОЗУ выделяются: регистр адреса (RA); регистр слова (RS) и шинный формирователь F образуют порт ввода-вывода, управляемый инверсными y4,

у1 и у6; R и W- управляющие входы; OP - осведомительный выход.

Период выполнения этих операций отмечается осведомительным сигналом «ОР», который принимает значение 1 в момент начала обращения к памяти и значение 0 - в момент окончания операции «запись» (W) или

8

«чтение» (R). При этом процесс генерации УА приостановлен.

Функция программного счетчика в том, чтобы образовать слово,

представляющее в памяти адрес следующей команды. Обычно СТАК имеет специальное инкрементное устройство, назначение которого - добавлять единицу к текущему адресу и таким образом получать следующий адрес. По этому адресу в памяти содержится следующая команда программы.

Устройство управления непрерывно организует циклическую последовательность действий: поочередное извлечение команд из памяти и их выполнение. Команда в БУ ЭВМ реализуется обычно за несколько тактов, в

каждом из которых выполняется одна или несколько микроопераций.

Рисунок 3 - Схема алгоритма работы базовой учебной ЭВМ Цикл выполнения команды начинается с выборки ее из ОЗУ и передачи

врегистр команд. После чтения команды к СТАК добавляется единица, чтобы подготовить выборку из ОЗУ очередной команды в следующем цикле. Затем

врегистре адреса формируется исполнительный адрес операнда, операнд выбирается из ОЗУ, поступает в регистр слова, и производится его обработка

9

совместно с содержимым аккумулятора АЛУ.

Выполнение команды можно разбить на такты:

1)передача из СТАК в регистр адреса;

2)чтение из ОЗУ в регистр команд: KOP.PZ.A;

3)добавление единицы в СТАК;

4)передача из регистра команд в регистр адреса (поле А);

5)чтение из ОЗУ в регистр слова;

6)обработка содержимого регистра слова и АКК, конец операции и возврат к первому такту.

Группы операций в системе команд. Команда предписывает операцию и указывает операнды, участвующие в операции. Операция задается кодом.

Рисунок 4 – Формат команды БУ ЭВМ Множество операций, поддерживаемых БУ ЭВМ разделяется на

следующие группы:

1.основные;

2.посылочные;

3.управления.

Основные операции используются для преобразования информации,

выполняют сложение, вычитание, умножение, деление содержимого итогового регистра АЛУ и R АЛУ. Если АО имеют признак PZ = 1, то есть

01.1.А, 02.1.А, 03.1.А, 04.1.А, то происходит запись с итогового регистра АЛУ в память по адресу, указанному в поле адреса. Если же признак 0, то результат арифметической операции остается на итоговом регистре АЛУ (PZ=0).

Именно эта группа операций проверяет условия переходов, указанные в командах управления.

Посылочные операции - код (05.PZ.А) выполняют обмен между памятью системы (RS) и АЛУ (RG). Направление обмена определено признаком засылки (PZ). Для PZ = 1 (код 05.1.А) передача типа ОЗУ[A]: =

10

RG, происходит запись содержимого регистра RG в ОЗУ по адресу А. При PZ = 0 (код 05.0.А) - обмен RG: = ОЗУ[A]. Помимо этого, команды данной группы реализуют пересылку данных в аккумулятор из устройства ввода и из аккумулятора в устройство вывода, код (11.PZ.А).

Операции управления изменяют содержание программного счетчика,

являющегося адресом следующей команды. Операции управления могут быть условными и безусловными. Если команда условная, то она сопровождается указанием состояния, которое должно быть предварительно проверено,

например, положительное значение результата операции и др. Такие операции вызывают переход к новому адресу и делают возможным непрерывное выполнение запрограммированных функций.

БП - безусловный переход (код 06.PZ.А) выполняет переход к адресу ОЗУ, указанному непосредственно в команде, независимо от значения признака PZ (СТАК: =A).

ЗН - переход по знаку результата (код 07.PZ.А). Выполняет условный переход к адресу программной памяти (СТАК: =А) по знаку результата в зависимости от кода PZ и значения признака ZNAK, формируемого при обращении к АЛУ. Если код PZ совпадает со значением признака ZNAK: 0 -

для положительного, 1 - для отрицательного значения итогового регистра АЛУ, то выполняется переход к команде с адресом А.

НУ - переход по нулевому признаку (код 08.PZ.А). Выполняет условный переход к адресу ОЗУ (СТАК: = А), если результат итогового регистра АЛУ совпадает со значением признака PZ (0 - когда на итоговом регистре ненулевой результат, 1 – нулевой), то осуществляется переход к команде с адресом А (СТАК: =А), иначе - СТАК: =СТАК+1.

HALT - останов, код 10000 - конец программы.

СТОП - указание оператора машины.